Улучшение теплопередачи в солнечной энергии

Том 13 научных докладов, номер статьи: 9476 (2023) Цитировать эту статью

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Целью этого исследования является изучение использования судов на солнечных батареях (SPS) в качестве средства снижения выбросов парниковых газов и зависимости от ископаемого топлива в морской отрасли. Исследование сосредоточено на повышении эффективности теплопередачи в SPS за счет использования гибридных наножидкостей (HNF), содержащих углеродные нанотрубки (УНТ). Кроме того, предлагается новый подход с использованием возобновляемых источников энергии и электромагнитного управления для повышения производительности СЭС. В исследовании реализована модель теплового потока неньютоновского типа Максвелла и модель теплового потока Каттанео-Кристова в солнечных коллекторах с параболическими желобами, используемых на кораблях. В исследовании проводятся теоретические эксперименты и моделирование для оценки теплопроводности и вязкости HNF на основе УНТ. Различные свойства, включая солнечное тепловое излучение, вязкую диссипацию, скорость скольжения и пористую среду, оцениваются для определения эффективности теплового переноса в SPS. В исследовании используются переменные подобия для упрощения сложных уравнений в частных производных до обыкновенных дифференциальных уравнений и их решение с использованием спектрального метода коллокации Чебышева. Результаты показывают, что гибридная наножидкость MWCNT-SWCNT/EO значительно улучшает теплопроводность, тем самым улучшая теплопередачу. HNF демонстрирует КПД примерно 1,78% при минимальном КПД 2,26%.

Глобальный спрос на энергию продолжает расти, но истощение запасов ископаемого топлива и рост стоимости традиционных источников энергии, таких как электричество, заставили ученых в последние годы переключить свое внимание на возобновляемые источники энергии1. Производство электроэнергии из устойчивых источников является экологически чистым способом производства электроэнергии, поскольку при этом не выделяются парниковые газы. Напротив, сжигание ископаемого топлива приводит к выбросу углекислого газа в атмосферу, способствуя глобальному потеплению2. Кроме того, экологи твердо убеждены, что использование устойчивых ресурсов может оказать существенное влияние на снижение углеродного загрязнения и замедление темпов глобального потепления3. В последние годы солнечная энергия стала широко обсуждаемым вариантом устойчивой энергетики из-за ее доступности, отсутствия вредных выбросов и минимального воздействия на окружающую среду, что делает ее весьма привлекательным выбором для производства энергии4. Солнечная энергетика имеет самый высокий потенциал долгосрочного использования, доступности и наименьшее негативное воздействие на окружающую среду среди всех источников энергии. При правильном использовании этот источник энергии может генерировать примерно в четыре раза больше энергии, чем в настоящее время используется во всем мире5. Недавние исследования показали, что глобальные выбросы CO2, как ожидается, сократятся на 75% к 2050 году по сравнению с уровнями, зафиксированными в 1985 году. Согласно исследованию, проведенному Министерством энергетики США, количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли в всего 90 минут достаточно, чтобы удовлетворить мировые потребности в энергии на целый год7. В докладе из США было обнаружено, что солнечная энергия может служить естественным заменителем других видов энергии. Кроме того, солнечные энергетические системы могут генерировать тепловую энергию, которую можно использовать для отопления и охлаждения. Поэтому главной задачей сейчас является поиск наиболее эффективного способа использования солнечной энергии.

В настоящее время широко используются два известных метода преобразования солнечного света в электричество, которые должны быть вам знакомы: фотоэлектрические системы (PV) и концентрированная солнечная энергия (CSE)8. Фотоэлектрические системы имеют множество применений, в том числе (а) выработку электроэнергии для домов и предприятий9 (б) обеспечение электроэнергией космических кораблей и спутников10 (в) питание различных типов транспортных средств, таких как автомобили, автобусы и лодки, и (г) электроснабжение удаленных зон (RAPS), состоящая из генераторов, уличных фонарей и устройств беспроводной связи, которые обеспечивают электричеством районы, расположенные вдали от городских центров. Короче говоря, фотоэлектрические системы обеспечивают экологически чистый, доступный и не требующий особого обслуживания способ производства электроэнергии, который является устойчивым и может работать независимо от электросети. Фотоэлектрическое устройство в основном состоит из полупроводникового материала, который проводит электричество через электроны. В отличие от проводников, которые могут проводить неограниченное количество электронов, полупроводники обладают уникальными свойствами, позволяющими регулировать поток электронов. Эта особенность делает полупроводники ценными компонентами для фотоэлектрических устройств. Между тем, CSP — это метод генерации электроэнергии из солнечных лучей с использованием отражающих поверхностей или оптической технологии для концентрации и фокусировки солнечного света на очень небольшой площади. Этот концентрированный солнечный свет преобразуется в тепло, которое можно использовать для создания пара, который приводит в действие турбину и вырабатывает электричество11. Установки CSP могут производить большое количество электроэнергии, и они особенно полезны в районах с высоким уровнем солнечной радиации. Кроме того, эти заводы могут быть построены в больших масштабах. Для выработки электроэнергии из солнечной энергии используется технология концентрированной солнечной энергии, которая предполагает фокусировку солнечных лучей на небольшой площади с помощью отражателей или оптики. Этот процесс создает тепло, которое затем можно использовать для производства электроэнергии, пропуская ее через электрический генератор. Однако важно отметить, что не все технологии полагаются на зеркала для концентрации солнечного света, поскольку некоторые используют оптику или другие системы. Следует также отметить, что преобразование солнечного света в тепло происходит посредством физического процесса, называемого поглощением12. Согласно ссылке 13, районы с сухим и жарким климатом, такие как Калифорния и Аризона в США, способствуют развитию более крупных электростанций, использующих концентрированную солнечную энергию. Эта форма возобновляемой энергии предпочтительнее невозобновляемых альтернатив, таких как ископаемое топливо, из-за ее экологичности и отсутствия выбросов вредных загрязняющих веществ. В заключение отметим, что солнечная энергия — это чистый и устойчивый вариант, который предпочтительнее традиционных источников энергии.